周培源博士与相对论

发表于8月 13, 2014由刘戈登 (Gordon Liu)

周培源博士与相对论

关于周培源博士的一般介绍在网上很多，但很少有人比较详细介绍周培源博士与相对论的联系，以及他关于相对论的学术观点和成就。这或许有两方面的原因：一方面，以往介绍周培源博士的人士不是相对论方面的学者，所以无法详细介绍他的关于相对论的观点和成就；另一方面，周培源博士关于相对论的学术观点,特别是他晚年关于广义相对论的学术观点与物理学界的主流观点是不相容的，因而未得到物理学界主流的认同，进而尽量回避谈论他的关于广义相对论的学术观点。这一推测可以从当时物理学界主流对广义相对论所持的观点，以及笔者与他的几个博士生的直接接触了解和对他们后来的研究追踪得到佐证。笔者由于和周培源博士关于广义相对论的观点相近，所以对周培源博士关于相对论方面的学术观点进行了一些研究。通过研究发现，无论是周培源博士在广义相对论方面的敏锐和直觉，还是他对待科学的不盲从权威，独立思考和执着追求的精神，都是值得我们学习的。应一些网友的要求，现以博文的形式就周培源博士与相对论的联系，以及他关于相对论的观点和成就做一下介绍。

周培源博士1902年8月28日出生在江苏省宜兴市，1993年11月24日在北京逝世。周培源博士在1924年清华学校(清华大学前身)毕业后即赴美国芝加哥大学学习，1926年春获学士学位，同年底获硕士学位。1928年在美国加州理工学院完成博士学业。其后，在德国莱比锡大学和瑞士苏黎士高等工业学校继续进行量子力学研究，完成了博士后的训练。1929年秋，受聘于清华大学，成为清华大学物理系最年轻的教授。以后，曾任北京大学校长，中国科学院副院长，中国物理学会理事长。


在清华学校读书时与同学讨论问题（左二为周培源，左三为孙立人，右侧戴眼镜者是梁思成）


中国科学界大都知道爱因斯坦对青年周培源博士的人生影响。1919年11月，英国皇家学会公布了一个轰动世界的消息：爱因斯坦于1915年建立的广义相对论关于光线在太阳引力线中沿曲线传播的预言，分别被两支英国观测队在西非、南美的日全食观测中得到证实。英国皇家学会会长汤姆孙同时宣称，爱因斯坦的理论是”人类思想史中最伟大的成就之一”，”它不是发现一个外围的岛屿，而是发现整个新思想的大陆”。全世界的报纸都以头版头条刊登这个消息，全世界的科学家都为之倾倒，各类讲座和报刊介绍文章比比皆是，中国的科学力量还很薄弱，大家同样激动、兴奋。正是在这一背景下，原本喜欢工科、梦想”工业救国”的周培源，在1924年清华毕业、获准”庚款留美”时，他报考了芝加哥大学，选择了爱因斯坦的专业：理论物理。

芝加哥大学历史不长，但其物理专业却赫赫有名，1923年诺贝尔物理学奖得主密立根教授就在此执教，后来杨振宁、李政道也成名于此。1924年周培源博士因仰慕密立根教授之名而来，不料此时密立根教授去了加州理工学院。于是在取得了学士、硕士学位后，他来到加州理工学院攻读博士学位。在加州理工学院，周培源博士独立选择了相对论的论文题目，而且在短短一年半中完成，从而成为研究相对论的第一个中国人，其博士论文《在爱因斯坦引力论中具有旋转对称物体的引力场》，答辩时受到高度赞扬，后被授予”最佳论文”。1929年回清华任教后，他在坚持相对论研究的同时，也开始了理论物理和相对论的教学。


1928年在美国加州理工学院获博士学位

从1936到1937年，周培源博士利用他在清华的第一次科研休假年到普林斯顿的高等研究院参加爱因斯坦主持的关于相对论的讨论班，研讨班的系统课程由爱因斯坦的两位助手承担，但他常常介绍手头工作，诚恳地与大家进行讨论。这使他得以与衷心仰慕的大师近距离接触。周培源博士成为中国唯一一位在爱因斯坦身边长期工作过的人。20世纪30年代中期，物理学的热门在原子核物理、量子力学上，对相对论的研究处于低潮。很多科学家对广义相对论也有些疑问。爱因斯坦说过：”很多人知道我，但真正理解我的人并不多”。他觉得非常孤独，而且认为他的工作也许要在过世后才能被认可。周培源博士在他身边工作时，他正在研究引力场的运动方程，遇到很多困难。周培源博士和他对如何认识运动方程有深入的讨论，曾就广义相对论引力论的坐标问题向他提问，但除对一级近似外，他们对其他没有达到共识【1】。


爱因斯坦相对论研讨班学员（三排右四为周培源）

1937年夏，周培源博士亲自去爱因斯坦住宅向他辞行，并为爱因斯坦拍照。这也是唯一一张中国人为爱因斯坦拍摄的相片。周培源博士的女儿周如玲曾问过周培源博士：你怎么没有和爱因斯坦合个影？周培源博士回答说，”他是这么伟大的科学家，我怎么有资格和他照相？”


周培源博士为爱因斯坦拍摄的照片

不过仅仅一年后，周培源博士就”疏离”了爱因斯坦的相对论，在学术上另起炉灶。1937年与爱因斯坦话别返国不久，”七　七”事变华北沦陷，全家人随清华师生先长沙，后昆明，最后在滇池西畔安了家。就在滇池西畔，他调转了十几年的研究方向：相对论”下岗”，”湍流”上马。理由是：相对论是长期的理论课题不能直接为反战服务，大敌当前，科学家须以科学挽救祖国……【1】

十年动乱期间，陈伯达抓”自然科学领域里的斗、批、改”，”就要把自然科学领域中最大的资产阶级反动学术权威爱因斯坦批倒、批臭，永世不得翻身！” 于是，他大讲批判相对论的重要性，号召大家从科学上、哲学上把爱因斯坦打倒。要做到家喻户晓，中、小学生也要学相对论，打倒相对论。

陈伯达知道周培源博士与爱因斯坦有”交谊”，是相对论专家。如果周培源博士批判爱因斯坦，群众不用发动了。1969年10月，中科院”批判相对论学习班”撰写了《相对论批判》一文，又召集周培源、吴有训、钱学森等人及青年物理工作者座谈、表态，自然有拥护者，也有反对者，轮到他发言时，他只介绍爱因斯坦生平及与爱因斯坦的交往，可谓不动声色，但当他听说此文就要在《红旗》杂志公开发表时，他沉不住气了，找到主持会议的中科院副院长刘西尧明确表态：”批判相对论的文章不宜刊登在《红旗》杂志上，否则，将来我们会很被动。” 他表态：”狭义相对论已被事实证明，批不倒。广义相对论在学术上有争议，可以讨论。“【2】 回到家他很生气地对女儿如玲说：”简直要闹出历史大笑话了！”后来，陈伯达因拥戴林彪当国家主席，很快就倒了台，批判爱因斯坦、批判相对论终于没有酿成小学生都参加的全民运动，否则真是历史的大笑话。

在晚年，他又提出了谐和条件应当作为严格的物理条件与爱因斯坦的场方程同时并用的理论，还亲自设计了试验，实验结果对澄清广义相对论理解上的混乱有极大的帮助【2】。从1926年起直至他1993年去世，周培源博士从事相对论研究的时间跨度长达近70年，先后在相对论领域发表了25篇论文，是当之无愧的中国理论物理的奠基人，也是我国坚持从事相对论教学和研究的屈指可数的几个人之一。


出席引力理论与相对论天体物理讨论会是作相对论学术报告（1978年广州）

周培源的严谨治学，一是表现在他对研究工作的认真细致，一丝不苟；二是表现在对科学理论的规律有令人信服的见解。他曾多次提出：”一个新理论提出来，第一，要看他能不能说明旧理论已说明的物理现象；第二，要看他能不能说明旧理论所不能说明的物理现象；第三，要看它能否为新的实验所证实。这三者都很重要，不可偏废。”他还说，”一个好的工作，首先要在物理上站得住脚，又有严谨的数学证明才行。光是数学漂亮，没有物理支持，因而不能解决实际问题的工作，不能称之为好的工作”【3】。

周培源博士关于相对论的主要论文有【4】：

  2. P. Y. Chou, A New Derivation of the Lorentz Transformation, Annuals Mathematics, 1927-1928. Second series, November, 1928, 29.
  4. P. Y. Chou, A Relativistic Theory of the Expanding Universe , Chinese Journal of Physics, 1935.
  5. P. Y. Chou, Isotropic Static Solutions of the Field Equations in Einstein’s Theory of Gravitation , American Journal of Mathematics, 1937, 754-763.
  6. P. Y. Chou, On the Foundations of Friedmann Universe, Chinese Journal of Physics, 1939, 3.
  7. P. Y. Chou, Note on Spherical Symmetry of Space and Foundations of Friedman Universe, Chinese Journal of Physics, 1939.
  8. P. Y. Chou, On the Method of Finding Isotropic Static Solutions of Einstein’s Field Equations of Gravitation,  American Journal of Mathematics, January, 1940, LXII(1).
  9. Zhou Peiyuan (Chou Pei-yuan), On the Physical Significance of Coordinates and the Solutions of the Field Equations in Einstein’s Theory of Gravitation, Scientia Sinica (Series A), 1982, XXV(6), 628-643 or 中国科学（A 辑）, 1982, (4), 334-345.
  10. 周培源，”論 Einstein 引力理論中坐標的物理意義和諧和條件 “，1983年6月亚太物理学讨论会（新加坡）。
  11. Chou Pei-yuan, On Coordinates and Coordinate Transformation in Einstein’s Theory of Gravitation, the Third Marcel Grossmann Meeting on General Relativity, Science Press and North-Holland Pub. Com. 1983: 1-20.
  12. Liu Hongya, Zhou Peiyuan (Chou Pei-yuan), “Exact Solutions of Plane Gravitational Waves Under the Harmonic Condition,” Scientia Sinica (Series A), 1985, XXVIII (6), 628-637 or 中国科学（A 辑）, 1985, (3), 334-345.
  13. Ding Haogang, Chou Peiyuan, “The Kerr Solution Under the Harmonic Condition (II),” this paper was finished at end of 1986 and has not published.
  14. Huang Chaiguang, Chou Peiyuan, “The Einstein and De Sitter Universes Under the Harmonic Condition” , Chinese Physics Letters, Beijing Springer-Verlag, 1987, 4(9):397-400.
  15. Zhou (Chou) Pei-yuan, “Further Experiments to Test Einstein’s Theory of Gravitation“, Proceedings of the International Symposium on Experimental Gravitational Physics, Guang Zhou, China, Aug. 1987.
  16. Li Yonggui, Qin Rongxian, Zhou Peiyuan, “Laser Double-Frequency Lock-in Displacement Sensor with Application to Gravitational Radiation Detection“, Presented at Inter. Symposium on Experimental Gravitational Physics, Guangzhou, China, 3-8 Aug. 1987. 1987 Pub. World Scientific.
  17. Huang Chaoguang and Zhou Peiyuan (P.Y. CHOU), “The Relativistic Cosmology Under the Harmonic Condition (I)”, Science in China (Series A), 33(8), Aug. 1990, p.966-981.
  18. Huang Chaoguang and Zhou Peiyuan (P. Y. CHOU), “The relativistic Cosmology Under the Harmonic Condition (II)“, The Relativistic Cosmology Under the Harmonic Condition (I)”, Science in China (Series A), 33(9), Sep. 1990, p.1106-
    1114 or 科学，（A 辑），第4期，1990,p.416-422.
  19. Li Yonggui, Zhao Zhiqiang, Zhao Xiaofan, Zhou Peiyuan, “Measurement of the Relative Difference of Light Velocity in the Horizontal and Vertical Directions on the Earth’s Surface“, Proceedings of the Fourth Asia Pacific Physics Conference, Seoal, Korea, August 13-17, 1990, 2: 1155-1159.

周培源博士对爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论都有很深入的研究，尤其是广义相对论引力理论。他认为狭义相对论是正确的，已被大量的实验所检验；而广义相对论是存在争议的。周培源博士这里所说的”争议” 主要是指”广义相对论中的坐标的意义问题以及相关的广义相对性原理”。这从周培源博士于1936年到1937年参加普林斯顿的高等研究院爱因斯坦主持的关于相对论的讨论班期间向爱因斯坦所提关于广义相对论引力论的坐标问题以及他晚年的一系列论文可以得到佐证。

周培源博士是怀着对爱因斯坦的仰慕和受相对论的感召来学习相对论的。可敬的是，即便是这样，他仍然保持着对相对论的独立思考和判断，敢于持与广义相对论的原创者爱因斯坦不同的观点，并与之争论。众所周知，相对论的主流派，包括爱因斯坦，认为广义相对论中的时空坐标是没有物理意义的，时空坐标是”软体”坐标。而周培源博士以一个物理学家的直觉判断：时空坐标应该有物理意义！”与狭义相对论一样，……由t, x, y, z 所定义的Einstein引力理论的时空是Minkowski时空。它是当物质存在时引力的’椅子’。我们说Minkowski时空，指的是时间t和笛卡尔坐标轴x, y, z 与Newton理论中使用的一样，但有一个根本性的差别，即Newton的时间和空间是分开的， 而Einstein理论中的时间和空间形成一个单一体——时空。”【5】另外，由于Bianchi恒等式的存在，Einstein的引力场方程只能确定所求度规的10个分量中的6个，所以仅用Einstein的引力场方程不能完全求解，通常采用谐和条件加以限制。主流派认为，采用谐和条件只是为数学上的方便而对坐标系所作的一种选择，并且称这样的坐标为”谐和坐标”；而周培源博士所取的是一种不同的观点，他认为，”谐和条件是一个物理条件，对所有引力问题，它与场方程一起都应该被引力度规张量所满足。”【5】

我不清楚周培源博士当时向爱因斯坦提出并讨论而没有达成共识的”关于广义相对论引力论的坐标问题”【1】的具体内容，但从他晚年提出并坚持的与主流派不一致的关于广义相对论引力论的坐标问题的观点不难猜出。甚至可以推断，周培源博士早年在爱因斯坦身边工作时，就有”直觉”认为广义相对论引力论中的坐标应该有物理意义，其时空应该是Minkowski时空，而且一直心怀这个问题。由于二战和为了强国的原因，从1938年开始，周培源博士终止了他心爱的相对论的研究，潜心于流体力学的湍流研究，直至44年后的1982年，才正式提出他一直心怀的关于广义相对论引力论中的坐标问题的观点。我想这个问题是他一生都放不下的重大学术问题，所以在他八、九十多岁高龄时仍坚持研究。

周培源博士凭”直觉”提出的这个观点显然是与爱因斯坦和主流派的观点大相径庭的。更由于这个”直觉”没有恰当的理论根据，而不被主流所接受。在爱因斯坦和主流派看来，引力其实不是传统意义上的场，而是时空的一种弯曲效应，有物质存在的时空是黎曼时空，黎曼时空的坐标是没有物理上可测量的意义的，是一组象橡皮一样的”软体”坐标，即使是在静态球对称的情况下采用所谓的”球坐标”，如Schwarzchild解，其半径r 也是被收缩了一个因子，不是平直时空半径的意义。在广义相对论的框架下，要赋予其坐标以物理意义，把其坐标当作平直时空的坐标来处理是显然缺少理论根据的。难怪当我和他的一位博士生谈起周老的观点时，该博士生表现出一脸的无可奈何，他只是差点没有明说：周老是老板，又是名人，我只能听他的。虽然与爱因斯坦和主流派的观点大相径庭，但是周培源博士，在他晚年八、九十多岁的时候，身为名人，敢于坚持自己的观点，参加多个国际和国内的学术会议，发表论文，宣传自己的观点，并提供理论预言和建立实验来检验他的观点。可惜在他去世之后，这项实验就被停止了。虽然由于当时实验条件所限，没有得到一个完美明确的结果，但周培源博士追求真理的精神值得我们学习。王淦昌院士曾这样评价周老：”由衷钦敬他那一贯的为探求真理献身、不计荣辱、不畏物议，坚持实事求是的科学精神。“【2】

那么周培源博士的”直觉”究竟对不对呢？ 我现在能肯定地回答：周培源博士的观点是正确的！我的理论彻底地理清了黎曼时空、谐和条件、闵可夫斯基时空和引力场的关系。引力场是物质的场可以在闵可夫斯基时空中描述，爱因斯坦方程和谐和条件一起构成描述引力场的方程。惯性参照系的坐标系是有物理意义的和直接可测量的。如果让广义引力场张量势把闵可夫斯基时空的坐标吸收或者说把广义引力场张量势看做时空坐标的度规张量，原来的时空坐标就变形成了黎曼时空，在引力场中自由落体的轨迹就成了黎曼时空中的短程线【6】。爱因斯坦方程，由于Bianchi恒等式的存在，只能确定所求度规的10个分量中的6个，其它4个分量是任意的，所以可以看做是黎曼时空中方程，也可以看做是平直时空中的方程，完全不确定。当引入谐和条件后，方程的解完全确定，此时的t, x, y, z 就是闵可夫斯基时空的坐标，而且x, y, z 就是笛卡尔坐标。我们说，引入谐和条件后，就等于把度规张量从黎曼时空中析出变成闵可夫斯基时空的广义引力场张量势，并取笛卡尔坐标【6】。所以把爱因斯坦方程和谐和条件一起联合求解，得到的解就是平直时空中取笛卡尔坐标时的物理解。周培源博士的”直觉”是对的！只不过他没能搞清楚黎曼时空、谐和条件、闵可夫斯基时空和引力场的关系，没能找到其观点的理论根据。凭什么可以那样做呢？！

我曾于1992年八月，去北京求见周老，很遗憾，他当时正重病在医院抢救（当时国务院下令：不准任何外人见周老），未能如愿。我相信，如果当初我的论文能呈递到周培源博士的手中，我的理论很早就会被重视。愿周老的在天之灵因为我的工作而得到安慰！我将继续努力去完成周老的未尽事业。

参考文献

[1] 周如玲，我的父亲周培源与清华大学，《清华大学与中国近现代科技》，杨舰 戴吾三 主编，清华大学出版社出版。

[2] 李俊兰，周培源—生命因科学精彩，北京青年报，2002年08月28日。

[3] 周培源基金网站：http://www.cpyf.org.cn/Article_Show.asp?ArticleID=16418

[4] 鲁重贤网站，http://www.emw21.com/CTS/Global%20Chinese/ZhouPY/ZhouPYFrame.htm

[5] 周培源，”論 Einstein 引力理論中坐標的物理意義和諧和條件 “，1983年6月亚太物理学讨论会（新加坡）。

[6] G. Liu, “Riemannian Space-Time, de Donder Conditions and Gravitational Field in Flat Space-Time,”
International Journal of Astronomy and Astrophysics, Vol. 3 No. 1, 2013, pp. 8-19. doi: 10.4236/ijaa.2013.31002.

About 刘戈登 (Gordon Liu)

English Name: Gordon Liu, Chinese Name: Qing Tao Liu. I got Master Degree of Theoretical Physics, my major is Gravitation and Astrophysics. Now I am a member of American Physical Society and director of Copernicus Institute of Physics and Astronomy. I have been researching Gravitation and Relativity for over twenty years. I have established a series new theories about space-time and gravitation which have modified Einstein's Special and General Relativity and have paved the road to unite General Relativity and Standard Model. 刘戈登 （原名：刘清涛）， 美国物理学会会员（2004-2014） 本人在南京某研究所工作十多年， 后移民新西兰经营信息技术公司十多年，2010年，移居加拿大多伦多，从事理论物理研究。我从1979年开始学习和研究引力理论和相对论，除十几年经营IT公司而中断外，至今也有二十多年，学习和研究引力理论和相对论几乎花去了我的全部青春年华。现在我自以为建立起了一个系列的关于时空和引力的新理论。它们是：惯性时空理论，非惯性时空理论和完整性引力理论。它们修改了爱因斯坦的狭义和广义相对论，从而实现了与标准模型的统一。
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